瀏覽數量： 40 作者： 本站編輯 發布時間： 2023-03-06 來源： 本站
2. 近α型鈦合金及應用
這類合金主要含 Al、Sn 和 Zr 以及少量（不超過重量2%）低擴散率 β 穩定元素，如 Mo 或 Nb、V 及 Si( 不超過0.5%)。加入 Mo 或 Nb 可在室溫下穩定少量被保留的 β 相，以起到某種強化作用。
波音 777 起落架結構，該機型是首次使用鈦合金起落架的商用飛機
（2）Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr(Ti-5553)
Ti-5553 合金是由俄羅斯上薩爾達（VSMPO）與歐洲空客公司聯合研制的一種新型高強高韌近 β 鈦合金，其名義成分為 Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr，比 Ti-10-2-3合金強度稍高（大約 1240MPa），經熱處理后，抗拉強度可超過 1500MPa，有一定加工性能優勢，淬透性更佳。特別適用于制造大規格承力構件，如機翼 / 吊掛接頭、起落架 / 機翼接頭以及起落架等零件。波音新型 787 飛機起落架大部分部件使用 Ti-5553 合金，空客A350-1000的起落架部件也使用該合金。
（3）Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al(Ti-15-3-3-3)。Ti-15-3-3-3是美國70年代研制成功的亞穩定 β 型鈦合金。經 800℃ 30minAC+540℃ 8hAC 處理 , 室溫拉伸強度達1100MPa, 延伸率仍在 9% 以上。該合金具有優良的壓延性、冷成形性和焊接性能，是一種理想的航空構件材料。主要用作機身結構件和航空緊固件，還可用來制作彈簧。用 β 鈦合金代替鋼質彈簧可以獲得 70% 的減重。
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鈦制飛機彈簧
注 ：彈簧 A 是用 Ti-15-3-3-3 鈦帶制作的艙門平衡時鐘彈簧。彈簧 B 是用 β-C 鈦絲制作的螺旋彈簧，用作 T-45 教練機啟動桿動力單元彈簧。
（4）Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo（Ti-6-2-4-6）
Ti-6-2-4-6是美國Timet公司在20世紀60年代開發的一種高 Mo 含量的高溫鈦合金，具有耐高溫性能（使用溫度在 420℃）、良好的強度、耐腐蝕、焊接及加工性能。該合金在固溶時效或雙重退火后的低周疲勞強度明顯高于相應的 Ti-6Al-4V 合金，同時具有較高的高溫蠕變強度和瞬時強度，可制造渦輪發動機壓氣機盤件和葉片。
（5）Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mo-4Cr（Ti-17）
Ti-17 是美國通用電氣公司在 70 年代初期開始研究與開發的 β 型合金，強度高、韌性好 , 室溫下屈服強度為 1137~1166MPa，抗拉強度為 1196~1235MPa，延伸率為 8% 以上。同時具有良好的抗裂紋生長 / 疲勞性能和斷裂韌性。主要用作一些新研制強度要求較高的大型飛機發動機風扇盤和氣壓機盤。美國通用電氣公司和 Wyman Gordon 公司采用 Ti-17 合金制造了發動機用盤件和直升飛機轉子卡軸。日本神戶制鋼所也開始研制該合金并用于制造發動機盤件。
（6）Ti-3Al-8V-6Cr-4Mo-4Zr(β-C)。β-C 是1969 年美國 RMI 公司開發的亞穩 β 鈦合金。該合金含有更多的固溶體，拉伸強度可達到 1240 MPa，由于強度高，其塑性和容損性能（斷裂韌性和疲勞裂紋生長速率）低于 α+β 合金，因此不常用于關鍵承重部件，通常用作飛機彈簧、緊固件、連接件及導彈部件。研究表明，將少量 C(0.1%) 加入 β-C，在時效前進行一定的冷變形，可以加快時效期間 α 相析出，同時減少晶界 α（GBα）形成，并促使晶粒細化 , 可以在獲得高達1500MPa強度的同時，保持較好的延性。
（7）Ti-35V-15Cr（AlloyC）
只有一種真正的（穩定）β合金具有有限的商業應用價值，這就是AlloyC，名義成分Ti-35V-15Cr-0.05C，由 普· 惠（Pratt and Whitney 公司，美國最大的兩家航空發動機制造公司之一）開發。
由于 β 穩定合金含量相當高，因此 Alloy C 在服役溫度下β相不會像普通 β 合金那樣分解成 α+β 相。該合金室溫拉伸性能1071MPa，屈服強度 1023 MPa，延伸率14.7，蠕變溫度 540℃，由于具有防火（不燃燒）性能，而被普·惠用作軍用發動機的排氣系統。而其他鈦合金在高質量流速下（比如噴氣發動機氣流），會發生燃燒，供燃燒的“燃料”就是幾乎所有鈦合金中都必不可少的鈦和鋁。
（8）Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si（β-21S）
β-21S(Ti-15Mo-2.7Nb-3Al-0.2Si)是TIMET開發的一種超高強度新型 β 合金。該合金強度高，塑性好，通過熱處理，時效到很高的強度水平（抗拉強度 >1450MPa），塑性仍保持在 Ti-1023 的水平。β-21S 在加工和使用期間具有顯著的抗氧化性能，更適合加工成薄板。β-21S 比其它 β合金能承受更高的溫度，長時間工作溫度可達540℃。
由于具有更好的耐高溫性能，這種合金可以用作航空發動機尾椎，此處噴口暴露于發動機尾氣。用 β-21S 代替鎳基合金可以大幅度減輕噴口和尾椎的重量。
裝配波音 -777 發動機 β-21S 尾椎
5. 鈦鋁合金及應用
鈦鋁合金，比近 α 型鈦合金具有更好的耐高溫性能。鈦鋁合金有多種金屬間化合物，主要有 Al 含量較少的 Ti3Al（α2）和 Al 含量較多的 TiAl（ ?）兩種。其中 ? 合金耐高溫能力達到 725℃，高于常規鈦合金的工作溫度。目前已有 ?合金用于發動機制造，在商用飛機發動機中用作低壓渦輪葉片。
用 ? 合金制作747發動機低壓渦輪轉子葉片
目前波音787 的 GEnx 發 動 機 以 及 空 客 A-320NEO和波音 737MAX 的 CFM LEAP 發動機最后兩級低壓渦輪（LPT）工 作 葉 片 均 釆 用 ? 合金 Ti-48Al-2Nb-2Cr 制造。
使用這種合金使 GEnx 發動機每級葉片減重約 90kg。2006年美國 GE 公司使用 Ti-48Al-2Nb-2Cr 合金作為在 GEnx發動機中第 6、7 級低壓渦輪葉片。這是鈦鋁合金首次大規模進入實際關鍵結構件的應用
用 ? 合金制造的GEnx 發動機低壓渦輪轉子
6. 結語
對美歐航空航天鈦及鈦合金牌號的梳理分析表明，近年來國外開發的高溫鈦合金、低溫鈦合金、高強高韌 β 型鈦合金、阻燃鈦合金和損傷容限型鈦合金在航空航天領域得到了廣泛應用，代表了航空航天高性能鈦合金材料的發展方向。
（1）高溫鈦合金。20 世紀 50 年代開發的高溫鈦合金以美國開發的 Ti-6Al-4V 合金為代表，其適應溫度為 300-350。后來開發的高溫鈦合金以近 α 型為主，以美國開發的 Ti-6-2-4-2S、Ti-1100，英國開發的 IMI834 以及俄羅斯開發的 BT-36 為代表，使用溫度高達 600℃。高溫鈦合金以其優良的熱強性和高的比強度，在航空發動機中獲得了廣泛的應用。高溫鈦合金的另一個發展趨勢是鈦鋁合金，即以鈦鋁為基礎的 Ti3Al（α2）和 TiAl（ ?）金屬間化合物，其中 ? 合金耐高溫能力達到 725℃。鈦鋁合金成為未來航空發動機及飛機結構件最具競爭力的材料。
（2）低溫鈦合金。一些鈦和鈦合金在低溫和超低溫下仍能保持其原有的機械性能。美國對于低溫鈦合金的研究主要集中于 α 型 Ti-5Al-2.5Sn ELI 以及 α+β 型鈦合金Ti-6Al-4V ELI，通過降低間歇元素含量 , 兩種鈦合金在20K 極低溫度下保持良好的強度和韌性，用于低溫容器、低溫管道以及液體火箭發動機葉輪。
（3）高強鈦合金。高強度鈦合金一般指抗拉強度在1000MPa 以上的鈦合金，國外高強鈦合金研發主要以美國和俄羅斯為主。β 合金是強度最高的鈦合金，目前代表國際先進水平并在航空領域獲得實際應用的高強度鈦合金主要為 β 型鈦合金，如美國 Ti-10-2-3、Ti-15-3-3-3 和β-21S，俄羅斯 Ti-5-5-5-3-1 等，主要用于強度要求較高的結構件，如飛機起落架以及機身等部件。
（4）阻燃鈦合金。為解決航空發動機用鈦合金材料的“鈦燃燒”問題，以滿足高推重比發動機的需要，美國和俄羅斯從 20 世紀 70 年代開始就開展阻燃鈦合金的研制。阻燃鈦合金主要包括兩個合金系 ：美國的 Ti-V-Cr 系 Alloy C（T-35V-15Cr）；俄羅斯的 Ti-Cu-Al 系 BTT-1、BTT-3。其中 Alloy C是一種穩定β型阻燃鈦合金，具有較高的室溫和高溫強度，良好的蠕變強度，優異的疲勞強度和冷成形性，已成功應用于 F119 發動機的高壓壓氣機機匣、導向葉片和矢量尾噴管。
（5）損傷容限鈦合金。為了滿足新型飛機對材料比強度、抗疲勞性能、裂紋擴展性能、斷裂韌性、壽命期成本等綜合性能的要求，國外已研制出高斷裂韌性和低裂紋擴展速率的損傷容限型鈦合金，以美國開發的 α+β 型合金 Ti-6Al-4V ELI及 Ti-6-2-2-2-2S為代表。Ti-6Al-4V ELI為中強損傷容限鈦合金，Ti-6-2-2-2-2S 為高強損傷容限鈦合金，在美國 F-22 戰斗機得到大量應用。
